Tecnologia Científica

Pesquisadores identificam e eliminam obstáculos de eficiência para células solares orgânicas
Os pesquisadores identificaram um mecanismo-chave responsável pela menor eficiência das células solares orgânicas e mostraram uma maneira de superar esse obstáculo.
Por Sarah Collins - 05/10/2021


Lasers no Laboratório de Optoeletrônica - Crédito: Akshay Rao

"As células solares orgânicas podem fazer muitas coisas que as células solares inorgânicas não podem, mas seu desenvolvimento comercial estagnou nos últimos anos, em parte devido à sua eficiência inferior"

Alexander Gillett

Os pesquisadores, liderados pela Universidade de Cambridge, identificaram um caminho de perda nas células solares orgânicas que as torna menos eficientes do que as células baseadas em silício na conversão da luz solar em eletricidade. Além disso, eles identificaram uma maneira de suprimir essa via manipulando moléculas dentro da célula solar para evitar a perda de corrente elétrica por um estado indesejável, conhecido como exciton tripleto.

Seus resultados , relatados na revista Nature , sugerem que poderia ser possível para as células solares orgânicas competir mais de perto com as células baseadas em silício para eficiência.

As células solares orgânicas, que são flexíveis, semitransparentes e baratas, podem expandir muito a gama de aplicações da tecnologia solar. Eles podem ser enrolados ao redor do exterior dos edifícios e podem ser usados ​​para a reciclagem eficiente da energia usada para a iluminação interna, nenhuma das quais é possível com os painéis convencionais de silício. Eles também são muito mais amigáveis ​​ao meio ambiente para produzir.

“As células solares orgânicas podem fazer muitas coisas que as células solares inorgânicas não podem, mas seu desenvolvimento comercial se estabilizou nos últimos anos, em parte devido à sua eficiência inferior”, disse o Dr. Alexander Gillett, do Laboratório Cavendish de Cambridge , o primeiro autor do artigo. “Uma célula solar típica à base de silício pode atingir eficiências de até 20 a 25%, enquanto células solares orgânicas podem atingir eficiências de cerca de 19% em condições de laboratório e eficiências do mundo real de cerca de 10 a 12%.”

As células solares orgânicas geram eletricidade imitando vagamente o processo natural da fotossíntese nas plantas, exceto que, em última análise, usam a energia do sol para criar eletricidade, em vez de converter dióxido de carbono e água em glicose. Quando uma partícula de luz, ou fóton, atinge uma célula solar, um elétron é excitado pela luz e deixa um 'buraco' na estrutura eletrônica do material. A combinação desse elétron excitado com o buraco é conhecida como exciton. Se a atração mútua entre o elétron carregado negativamente e o buraco carregado positivamente no exciton, semelhante à atração entre os polos positivo e negativo de um ímã, pode ser superada, é possível colher esses elétrons e buracos como uma corrente elétrica.

No entanto, os elétrons nas células solares podem ser perdidos por meio de um processo chamado recombinação, onde os elétrons perdem sua energia - ou estado de excitação - e voltam para o estado de 'buraco' vazio. Como há uma atração mais forte entre o elétron e o buraco nos materiais à base de carbono do que no silício, as células solares orgânicas são mais propensas à recombinação, o que, por sua vez, afeta sua eficiência. Isso requer o uso de dois componentes para impedir que o elétron e o buraco se recombinem rapidamente: um material 'doador' de elétrons e um material 'aceitador' de elétrons.

Usando uma combinação de espectroscopia e modelagem por computador, os pesquisadores foram capazes de rastrear os mecanismos em funcionamento nas células solares orgânicas, desde a absorção de fótons até a recombinação. Eles descobriram que um mecanismo chave de perda nas células solares orgânicas é causado pela recombinação de um tipo particular de exciton, conhecido como exciton tripleto.

Nas células solares orgânicas, os excitons tripletos apresentam um problema difícil de superar, pois é energeticamente favorável para que se formem a partir dos elétrons e dos buracos. Os pesquisadores descobriram que, por meio da engenharia de fortes interações moleculares entre o doador de elétrons e os materiais aceitadores de elétrons, é possível manter o elétron e o buraco mais separados, evitando que ocorra a recombinação em excitons tripletos.

A modelagem computacional sugere que, ao ajustar os componentes das células solares orgânicas desta forma, as escalas de tempo de recombinação para esses estados de excitons tripletos podem ser reduzidas em uma ordem de magnitude, permitindo uma operação mais eficiente da célula solar.

“O fato de podermos usar as interações entre os componentes de uma célula solar para desligar a via de perda de excitons do trigêmeo foi realmente surpreendente”, disse Gillett. “Nosso método mostra como você pode manipular moléculas para impedir que a recombinação aconteça.”

"Agora, os químicos sintéticos podem projetar a próxima geração de materiais doadores e aceitadores com fortes interações moleculares para suprimir essa via de perda", disse o co-autor Dr. Thuc-Quyen Nguyen da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, EUA. “O trabalho mostra o caminho a seguir para alcançar maior eficiência do dispositivo.”

Os pesquisadores dizem que seu método fornece uma estratégia clara para obter células solares orgânicas com eficiências de 20% ou mais, parando a recombinação em estados de excitons tripletos. Como parte de seu estudo, os autores também foram capazes de fornecer regras de projeto para os materiais doadores e aceitadores de elétrons para atingir esse objetivo. Eles acreditam que essas diretrizes permitirão que grupos de química projetem novos materiais que bloqueiem a recombinação em excitons tripletos, permitindo que células solares orgânicas com eficiências próximas ao silício sejam realizadas.

 

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